Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt

TÓM TẮT Ngày nay ở các nước tiên tiến trên thế giời, việc thay khớp gối nhân tạo toàn phần là một thủ thuật thường nhật, vì chất lượng của khớp gối nhân tạo khá tốt.. Ở con người, đầu gố

Giới thiệu chung

Cấu tạo khớp gối tự nhiên

Xương đầu gối là khớp lớn nhất và phức tạp nhất trong cơ thể con người Ở con người, đầu gối hỗ trợ gần như toàn bộ trọng lượng của cơ thể và cũng là bộ phận dễ bị tổn thương nhất

Hình 1.1 Tổng quan về khớp gối Khớp gối bao gồm phần dưới của xương đùi (được gọi là lồi cầu) và phần trên của xương chày (được gọi là Mâm chày) Hai đầu xương được bọc bởi lớp sụn khớp Một lớp sụn đệm vào giữa chúng gọi là sụn chêm trong và một lớp sụn bên ngoài gọi là sụn chêm ngoài.Hai đầu xương được giữ lại với nhau bằng các dây chằng, ở hai bên là dây chằng trong và dây chằng ngoài, ở trung tâm khớp là dây chằng chéo trước và dây chằng chéo sau

Bánh chè hay còn gọi là Xương vừng là một cấu trúc xương nằm trong gân và trượt trên mặt khớp, nó nằm ở cuối của cơ gân tứ đầu và có vai trò bảo vệ gân tứ đầu cũng như tăng cánh tay đòn của gân này Ngoài ra còn có Bao hoạt dịch nằm ở mặt trong gối có cấu tạo là các sợi xơ mềm và mỡ, nó có thể tiết dịch hoạt dịch để làm trơn và nuôi dưỡng sụn khớp, nó cũng có vai trò chống lại nhiễm khuẩn viêm

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Trần Nguyên Duy Phương

Xương đùi và xương chày được nối với nhau bằng các dây chằng Có 4 dây chằng chính ở khớp đầu gối bao gồm: dây chằng bên ( LCL), dây chằng giữa (MCL), cũng như dây chằng sau (PCL) và dây chằng trước (ACL) Các dây chằng được biểu diễn ở hình trên

Phần lõi được bao phủ bằng một lớp mỏng sụn Các LCL và MCL đảm bảo sự ổn định của khớp ACL nằm ở phía trước, trung tâm của khớp gối nhằm hạn chế chuyển động trước của xương chày so với xương đùi Trong khi đó PCL chịu trách nhiệm hạn chế chuyển động sau

Chuyển động của đầu gối

Hình dạng hình học của các phần nối cũng như các dây chằng ảnh hưởng đến sự di chuyển của khớp gối Khớp gối có 6 bậc tự do Cơ bản khớp gối dịch chuyển như một khớp bản lề nhưng có thể dịch chuyển trong các mặt và quay với tổng cộng 6 bậc tự do Chuyển động bình thường bao gồm chuyển động trượt, quay giữa xương chày và xương đùi Các chuyển động được hạn chế bởi các mặt xương chày, xương đùi cũng như các cơ và dây chằng

Hình 1.2 Khả năng dịch chuyển của xương gối

Chuyển đông tương đối giữa xương chày và xương đùi

Dạng hình học giữa vị trí tiếp giáp giữa xương chày và xương đùi lần đầu tiên được báo cáo là có dạng tròn và các kích thước trong năm 1836 bởi Weber and Weber ( Freeman

& Pinskernova, 2005) Giả thuyết này đã được sử dụng để nghiên cứu và đưa ra nhiều

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 3 chuyền động của xương : (Elias et al., 1990), (Hollister et al., 1993), (Freeman, 2001), (Williams & Logan, 2004) và còn phổ biến đến ngày hôm nay Freeman (2001) đề xuất rằng các vòng chuyển động của xương được chia làm 3 đoạn Các dạng ăn khớp khau nhau cũng như hình dạng thay đổi ở mỗi đoạn Khả năng hoạt động của xương dao động từ 20 0 đến 120 0 Phần này được biết đến như là bề mặt uốn (FFC) Vị trí khoảng 20 0 được biết đến như sự mở rộng của dây chằng (EFC) Vị trí thứ 3 được biết đến như là phần cung bị động và kéo dài trong khoảng 120 0

Hình 1.3 Ba vòng cung của đường cong chuyển động xương

Tính chất cơ học của xương

Xương là bất đẳng hướng (các tính chất phụ thuộc vào vị trí của xương), cấu tạo không đồng nhất (gồm nhiều bộ phận với các cấu trúc khác nhau), là một trong những cơ quan thay đổi theo thời gian, là một phần của bộ xương của động vật có xương sống Ở mức độ vĩ mô, xương có thể chia ra thành hai phần chính: phần vỏ và phần xốp Cấu trúc xương được thể hiện ở hình bên dưới

Như tên gọi, vỏ xương được tạo thành như lớp vỏ bên ngoài trong hầu hết các xương và nó có cấu trúc nhỏ gọn, cứng với mật độ tối đa khoảng 1.8g/cm3 Phần xương xốp là một vùng xốp trong xương có cấu trúc và độ đậm đặc, cứng với mật độ thay đổi từ 0.05- 0,7 g/cm 3 Nó chiếm các khu vực bên trong xương và các lỗ chân lông được làm đầy bằng tủy

Hình 1.4 Cấu trúc của xương Sự bất đẳng hướng của xương chủ yếu gây ra bởi sự liên kết của các Osteons đọc theo trục của xương dài như xương đùi và xương chày Osteons có cấu trúc hình trụ, thường dài khoảng vài mm và khoảng 0.2 mm đường kính, có mặt trong vỏ xương của động vật có vú

Bởi vì điều này nên module đàn hồi dọc lớn hơn module đàn hồi ngang khoảng 50% Các module biến dạng cũng khác nhau theo hướng dọc, ngang (Shi,2007)

Tính chất cơ học của vỏ xương được mô tả bởi Reilly và Burstein (1975) được thể hiện trong bảng dưới đây Tính chất cơ học của xương phụ thuộc vào nơi họ đo lường và họ cũng cho thấy sự biến đổi giữa các nghiên cứu khác nhau Module biến dạng dao động khoảng 344Pa trong đốt sống con người đến 3230Pa ở cổ xương đùi (Morgan & Keaveny, 2001) Điều này là do tính chất cấu trúc của xương mà sẽ khác nhau ở vị trí cũng như ở từng đối tượng

Xương cũng có những đặc điểm riêng trong việc tái cấu trúc Tái cấu trúc xương là một quá trình liên tục của sự hấp thụ, nén của xương để đáp ứng với sự thay đổi tải Wolff (1986) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa môi trường và cấu trúc xương Giả thuyết rằng xương phát triển bất cứ nơi nào cần thiết và tái hấp thụ ở những nơi không cần thiết

Trong thay khớp nhân tạo như thay khớp gối, các chấn thương chỉnh hình là trực tiếp tiếp xúc với xương là làm thay đổi ứng suất trong xương Trong việc thay thế xương, phản

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 5 ứng của xương có thể kéo dài trong nhiều năm và có thể thất bại hay thậm chí mất xương vĩnh viễn cho việc sửa đồi Xương xung quanh vị trí cấy ghép điều chỉnh mật độ khoáng xương ( BMD) và cấu trúc để đáp ứng yêu cầu cơ tính mới Hazelwool (2001) đã phát triển một mô hình cho việc tu sửa cấu trúc xương và mô phỏng thay đổi thuộc tính vật liệu Hiệu quả của việc tu sửa xương cho thấy sự phân bố không đồng đều có thể ảnh hưởng đến mật độ và cấu trúc xương Điều này sẽ đẫn đến ít hoặc không có xương ở vị trí thay thế Tại xương chày, nó là cần thiết để đảm bảo duy trì hầu hết áp lực từ phần xương chày

Bảng 1.1 Tính chất cơ học của xương (Reilly & Burstein,1975)

Các chấn thương dẫn đến điều trị thay khớp gối nhân tạo

Xương đầu gối là một trong những khu vực quan trọng trong cấu tạo cơ thể, là nơi chịu lực cao và lớn nhất trong cơ thể Do tính chịu lực cao nên đầu gối dễ bị tổn thương nhất trong cơ thể

Quá trình mắc bệnh liên quan đến khớp gối thường được phân loại thành: bẩm sinh, do quá trình trao đổi chất, thần kinh – cơ, do truyền nhiễm, do miễn dịch và sau khi bị chấn thương

Do phát triển phôi thai không đầy đủ hoặc bị biến dạng của đầu gối có thể do bẩm sinh bất thường như giảm sinh xương bánh chè hoặc sụn chêm hình đĩa, có thể dẫn đến suy giảm chức năng đầu gối, bệnh thoái hóa khớp hoặc mất cân bằng cơ chế co duỗi Điều trị ngoại khoa về sự sắp xếp sai, không ổn định hoặc mất cân bằng cơ chế co duỗi có thể cần thiết để cho phép phục hồi chức năng

Hình 1.5 Khớp gối bị di tật bẩm sinh

Chuyển hoá (Cơ chế trao đổi chất)

Do rối loạn xương liên quan đến quá trình chuyển hóa canxi thứ phát nội tiết tố, di truyền hoặc mất cân bằng dinh dưỡng có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của xương và dây chằng đầu gối, dẫn đến phá hủy khớp Như vậy rối loạn cần phải được chẩn đoán chính xác và điều trị thích hợp Ngoài ra có thể xem xét nội soi khớp để khắc phục các vấn đề về chuyển hoá kịp thời

Bệnh ảnh hưởng đến các dây thần kinh và cơ bắp của đầu gối có thể gây ra dáng đi bất thường và các vấn đề bất ổn khác Bệnh thoát vị đĩa đệm thắt lưng có thể dẫn đến vô hiệu hóa tác dụng trên cơ tứ đầu và chức ảnh hưởng đến chức năng gân kheo nếu rễ thần kinh L3, L4 và L5 bị ảnh hưởng

Nhiễm trùng huyết từ bất kỳ vi khuẩn gram âm dương hoặc gram có thể dẫn đến phá hủy các khớp gối, được gọi là viêm khớp nhiễm khuẩn Khi các phương pháp khác không thể cải thiện được bệnh thì việc cắt bỏ khớp là lựa chọn cuối cùng trong trường hợp nhiễm trùng khớp gối xảy ra dai dẳng

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 7 Viêm khớp gối có thể là nguyên nhân của sự rối loạn tự miễn dịch như thấp khớp hoặc viêm khớp vẩy nến, khi mà cơ thể mất khả năng phân biệt các kháng nguyên bên ngoài và tự kháng nguyên Thực chất, những cấu trúc sụn bình thường của cơ thể bị nhầm lẫn là các kháng nguyên bên ngoài và bị cơ chế miễn dịch tấn công Từ đó gây nên các bệnh liên quan đến khớp

Hình 1.6 Khớp gối tự miễn

Gãy xương, trật khớp hoặc chấn thương dây chằng nghiêm trọng có thể làm tổn hại chức năng khớp gối và nhiều trường hợp có thể gây ra sự phá hủy sụn nghiêm trọng, tương tự như viêm xương khớp Thay khớp gối giúp cải thiện biến dạng, chấm dứt đau đớn và phục hồi chức năng của khớp gối

Hình 1.7 Chấn thương khớp gối

Từ những nguyên nhân kể trên, sau việc áp dụng các phương pháp điều trị khác nếu không thấy hiệu quả, thì phương án cuối cùng sẽ là phẫu thuật thay khớp gối Tuỳ vào bệnh lý cũng như chỉ định của bác sỹ, bệnh nhân sẽ được chỉ định thay khớp gối toàn phần hay bán phần

Phẫu thuật thay khớp gối được chỉ định cho các tổn thương cấu trúc giải phẫu khớp gối không hồi phục Thường gặp nhất là sau bệnh lý thoái hóa khớp nguyên phát (do tuổi già) và thoái hóa khớp thứ phát (sau các bệnh lý khớp khác như viêm khớp dạng thấp) Phẫu thuật thay khớp gối cũng như tất cả các phẫu thuật thay khớp khác, có thể hiểu một cách đơn giản là thay thế phần mặt khớp đã bị tổn thương bằng vật liệu nhân tạo Thay thế phần khớp tổn thương bằng vật liệu nhân tạo sẽ giải quyết được hai vấn đề chính là cải thiện tình trạng đau và biến dạng chi, từ đó giúp cho việc đi lại của bệnh nhân được dễ dàng

Tổn thương thoái hóa khớp gối là tổn thương thường gặp nhất phải thay khớp gối

Hình 1.8 Khớp gối thoái hóa

Lịch sử phát triển khớp gối toàn phần nhân tạo

Thế hệ thiết kế thứ nhất

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 9 Đầu những năm 1950, nhưng thiết kế đầu tiên của khớp gối ra đời, chẳng hạn như

"Waldius" và sau đó là "GUEPAR" Ở những bản thiết kế ban đầu này, khớp gối bị hạn chế chỉ cho phép chuyển động theo một trục duy nhất Mặc dù ban đầu khớp làm việc khá tốt, đơn giản là cấy khớp vừa khít vào xương có sử dụng xi măng y sinh, sau đó họ sớm nhận thấy khớp bị nới lỏng Nới lỏng này là do siêu định vị do thiếu trục và sự mở rộng góc quay dẫn đến trục quay lớn và sinh ra moment varus-valgus như hình minh hoạ 1.17

Hình 1.9 Khớp nới lỏng do thiếu chiều quay dọc trục khớp dạng Hinge – Bản lề Sau đó lại nổi lên các mẫu thiết kế cuối những năm 60, chẳng hạn như "Geomedic" và

"Geometric", nhưng cũng nhanh chóng thất bại do thiếu sự quay quanh trục, như trong hình 1.18 và gây khó khăn khi gập trở lại của khớp như minh họa 1.19

Hình 1.10 Khớp bị nới lỏng do thiếu chiều quay dọc trục của khớp dạng Geomedic

Hình 1.11 Quá giới hạn trước sau

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 11 Các thiết kế ít hạn chế như "Marmor" và "Gunston" - thiết kế của cuối những năm 60, đã thất bại do ứng xuất tại điểm tiếp xúc quá lớn và vật liệu vượt quá giới hạn độ bền Như thể hiện trong hình 1.20

Hình 1.12 Mẫu xương chày nhân tạo Gunston bị mòn Cuối cùng, không mẫu thiết kế nào trong thế hệ đầu tiên được đưa ra sử dụng thay thế xương bánh chè.

Thế hệ thiết kế thứ hai

Những năm 1970, chứng kiến sự ra đời của những bản thiết kế có cải tiến tái tạo bề mặt được dùng trong khớp gối Các thiết kế như "Total Condylar" và "Townley" làm việc khá tốt Những vấn đề chủ yếu là; thiếu dữ liệu đường cong, xương bánh chè bị mài mòn và nới lỏng, trật khớp sau khi thay thế Total Condylar và xương chày nới lỏng và bị mài mòn quá mức với cả hai thiết bị Vấn đề xương chày bị nới lỏng dẫn đến sự ra đời của vòng bi hồi tiếp, mà chiếm lĩnh thị trường ngày hôm nay Đã có rất nhiều nổ lực được thực hiện để phát triển thiết kế khớp có thể quay quanh trục Khớp "Spherocentric", minh họa trong hình 1.21, cho phép quay quanh trục và thậm chí một số chuyển động varus-valgus

Hình 1.13 Giới hạn chuyển động Valgus – Varus trong khớp gối Spherocentric.

Thế hệ thiết kế thứ ba

Từ giữa đến cuối những năm 1970, chứng kiến sự ra đời những thiết kế sử dụng vòng bi di trượt, điển hình là các phiên bản "Oxford” và "New Jersey LCS" Những thiết kế này cung cấp khả năng di trượt và tương thích khi sử dụng một bề mặt bi trượt để đỡ khối xương chày bằng kim loại Việc sử dụng vòng bi di trượt đã giải quyết được tình trạng tương thích với giới hạn bề mặt khớp gối theo thời gian được giới thiệu trong hình 1.22

Hình 1.14 Giải pháp sử dụng đĩa đệm di động

Khớp gối Oxford – The Oxford Knee

Khớp gối “Oxford” được phát triển bởi Goodfellow và O’Connor bắt đầu từ năm 1976, là khớp gối đầu tiên sử dụng vòng bi di trượt và trở thành khớp gối có vòng bi di trượt được sử dụng đầu tiên trên thế giới

Hình 1.15 Khớp gối Oxford Meniscal Bearing

Khớp gối bản lề - The Noiles Hinge Knee

Khớp gối Noiles phát triển những phiên bản khớp bản lề xoay trong năm 1977 Số lượng lớn các thiết kế khớp gối được sử dụng nhiều lần dựa trên bản thiết kế này và vẫn còn được bán cho đến này nay

Khớp gối LCS - The LCS Knee

Hệ thống khớp gối New Jersey LCS, minh họa trong hình 1.24, được phát triển trong khoảng thời gian từ năm 1977 đến năm 1985 Đó là lần đầu tiên, FDA chấp thuận thay thế đầu gối và chỉ số ít các hệ thống khớp gối được phê duyệt sử dụng đến ngày hôm nay tại Hoa Kỳ Hệ thống này đã rất thành công trong thử nghiệm lâm sàng sử dụng hơn ba mươi năm và được chấp thuận cho sử dụng bởi FDA sau khi họ đánh giá rộng rãi, được kiểm soát tốt, các nghiên cứu lâm sàng

Hình 1.16 Hệ thống phân loại khớp do New Jersey Mark II LCS sản xuất Đĩa chêm sử dụng vòng bi - Posterior Retaining Tibial Platform, đã được thay thế bằng A-P Glide Platform khoảng năm 1997 Thiết bị này sử dụng đĩa chêm 1 vòng bi thay thế cho đĩa chêm 2 vòng bi ở phiên bản ban đầu, và sử dụng Rotating Platform Tibial Component và Control Arm có thể cho phép trục quay xung quanh và dịch chuyển của AP của vòng bi

Các bản thiết kế khác

Trong những năm 1990, việc thêm vào vòng bi di trượt ở các bản thiết kế đã được phần lớn các nhà sản xuất khớp gối nhân tạo tại Châu Âu giới thiệu Gồm nhiều những nhà sản xuất như: Zimmer MBK, Howmedica’s Interax ISA, J& J’s PFC Sigma RP, Sulzer SAL và còn nhiều nữa Không thiết kế nào trong số chúng thật sự có cải tiến Mà chúng chỉ là những bản thiết kế lại của PFC Sigma RPF được ổn đinh nhờ Rotating Platform, được cho rằng là không cần thiết.

Thế hệ thiết kế thứ tư

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 15 Với kinh nghiệm LCS, sự cải thiện của công nghệ vật liệu và cải tiến quá trình sản xuất đã tạo điều kiện thuận lợi phát triển cao hơn nữa và cho phép sàn lọc, hoặc Buechel - Pappas Mark II – khớp gối nhân tạo sử dụng vòng bi di trượt Một loạt các mẫu thiết kế mới đã được phát triển trong thời gian từ năm 1998 đến 2009 và kết quả là sự ra đời của khới gối nhân tạo toàn phần B-P Mark V, được thể hiện trong hình 1.17

Các thành phần kim loại của khớp gối này được làm bằng hợp kim Titan mà trước đó đã được phủ một lớp chịu mài mòn TiN Loại thiết kế sử dụng Co-Cr vẫn tốt Các bề mặt khớp đã được xử lý tinh do đó hơn nữa số thiết kế Mark V đã làm rất tốt việc chi tiết chịu ứng suất tại cái đỉnh tiếp xúc

Những khới gối này được sản xuất và phân phối trên toàn thế giới bởi công ty Endotec, Inc tại Orlando, Florida và TKK Health Care tại Chennai, India

Hình 1.17 Khớp gối nhân tạo toàn phần B-P Mark V

Tình hình nghiên cứu chế tạo khớp gối nhân tạo ở Việt Nam

Theo số liệu thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), cứ 8 người trong độ tuổi từ 18 đến 79 sẽ có 1 người mắc bệnh liên quan đến khớp gối, khớp háng Các bệnh lí ở khớp gối, khớp háng do nhiều nguyên nhân gây ra, như béo phì, lao động nặng, khuân vác nặng, rối loạn cơ học của khớp hay thoái hoá do tuổi cao Ngoài ra, cũng không loại trừ khả năng khớp bị hỏng do chấn thương trong thể thao hay do tai nạn giao thông

Taị Việt nam, phẫu thuật thay khớp gối được thực hiện cách đây 5 năm, hiện không còn được liệt vào nhóm phẫu thuật quá phức tạp nữa Khi tiến hành thay khớp gối toàn bộ

(hay còn gọi là sự tạo hình khớp gối) các mặt khớp (các mặt tiếp xúc ở đầu xương) được tái tạo sử dụng các vật liệu nhân tạo

Thay khớp gối hiện đang được thực hiện tại nhiều bệnh viện lớn như Khoa Chi dưới - BV Chấn thương Chỉnh hình TP HCM, Khoa Chấn thương Chỉnh hình - BV Chợ Rẫy, Khoa Chấn thương Chỉnh hình - BV TW QĐ 108, Khoa Chấn thương Chỉnh hình - BV Xanh Pôn Hà Nội…

Phẫu thuật thay khớp gối là một giải pháp hiệu quả cho những trường hợp thoái hóa khớp giai đoạn nặng, khi điều trị nội khoa không còn đáp ứng Thay khớp gối nhân tạo giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân, nhất là những người lớn tuổi, hết những cơn đau bất tận kéo dài

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam thì tình hình nghiên cứu chế tạo khớp gối chỉ dừng lại ở việc lấy hình ảnh khớp gối từ các công nghệ Xquang, CT hay MRI, rồi sau đó dùng phần mềm Mimics lấy hình ảnh 3D của khớp Dựa vào hình ảnh từ phần mềm Mimics các bác sỹ sẽ chọn lựa khớp gối phù hợp có sẵn trên thị trường để thay cho bệnh nhân Chính vì vậy mà hiện nay ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về qui trình thiết kế chế tạo khớp gối nhân tạo cho bệnh nhân cụ thể cũng như là các công nghệ chế tạo ra bộ khớp gối hoàn chỉnh.

Một số bằng sáng chế liên quan

Patent Total knee replacement prosthesis số US 8337564 B2- 2012 của Asit Shah và Murali Jasti

Patent Bony balancing apparatus and method for total knee replacement số US 20140249534 A1- 2014 của Morton Bertram, nghiên cứu về máy mô phỏng chuyển động cửa khớp gối

Patent Total knee replacement substituting function of anterior cruciate ligament số WO2014025581 A1- 2013 của Peter Stanley Walker

Patent Prosthetic joint for total knee replacementsố US3824630 A- 1974 của Johnston

Patent Total knee replacement prosthesis số US6019794 A- 2000 của Peter Stanley Walker

Patent Total knee replacement for dogs số US 20050055100 A1- 2005 của Ralph Lewis và Toni Lewis nghiên cứu về bộ khớp gối dành cho những chú chó

Tính cấp thiết của đề tài

Nền kinh tế Việt Nam đang phát triển, mức sống người dân được nâng cao lên rất nhiều, dịch vụ chăm sóc y tế phát triển mạnh, tuổi thọ người dân tăng lên, người cao tuổi ngày càng nhiều Nên dịch vụ chăm sóc sức khỏe người cao tuổi được chú trọng Một trong những bệnh thường phổ biến ở người lớn tuổi là vấn đề về khớp háng, vì bệnh khớp mà người già khó khăn trong việc sinh hoạt thậm chí là không thể đi lại được Vì vậy vấn đề về phẫu thuật khớp gối đang có bước phát triển ở các bệnh viện phẫu thuật chỉnh hình, các bác sĩ được đưa đi học và hợp tác với nước ngoài để học hỏi về phẫu thuật xương khớp Tuy các bác sĩ Việt Nam có thể thực hiện phẫu thuật nhưng do khớp nhân tạo phải mua từ nước ngoài nên rất đắc vì vậy chi phí cho một cuộc phẫu thuật thay khớp gối là không nhỏ Vì vậy để giảm chi phí phẫu thuật việc nghiên cứu chế tạo khớp gối là cần thiết Ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về việc xây dựng quy trình thiết kế cũng như chế tạo ra một sản phẩm cụ thể mà chỉ dừng lại ở việc sử dụng hình ảnh Chính vì vậy đề tài này sẽ cập nhật những nghiên cứu mới trên thế giới và những công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế và cũng như tiến tới sử dụng những công nghệ liên quan để chế tạo khớp gối toàn phần hoàn chỉnh.

Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu của luận văn là:

Xây dựng được qui trình thiết kế khớp gối toàn phần Chế tạo thử một mẫu khớp

VẬT LIỆU 2-18 2.1 Hợp kim Titan

Thép không rỉ

Thép không gỉ thích hợp cho sử dụng trong phẫu thuật chỉnh hình bao gồm 300 bộ thép không gỉ Austenit và 400 bộ thép không gỉ ferit và mactenxit 630-635 bộ thép không gỉ hai pha Austenit và mactenxit biến cứng.[4]

Thép không gỉ đầu tiên được chế tạo cho implant là 18-8 Sau đó 18-8Mo là thép không gỉ chứa một ít Mo để cải thiện tính chống mòn trong nước biển Hợp kim này được biết với tên là thép không gỉ 316 Năm 1950, lượng cacbon trong thép không gỉ 316 giảm từ 0.08 xuống 0.03% (% khối lượng) để chống ăn mòn tốt hơn trong nước biển và được biết đên với kí hiệu 316L Lượng Crôm tối thiểu là 11% làm cho thép không gỉ chống ăn mòn

Vì Cr là nguyên tố khử nên trong thép này hình thành một lớp mỏng oxit crôm thụ động mà sẽ cung cấp một sự chống ăn mòn lớn.[5]

Thép Austenit, những loại đặc biệt 316 và 316L được sử dụng rộng rãi trong chế tạo implant Những loại này không thể hóa bền bằng nhiệt luyện mà chỉ hóa bền bằng gia công nguội Thép không gỉ trong nhóm này thì không có từ tính và chống ăn mòn hơn các loại còn lại Thêm vào molipđen tăng cường chống ăn mòn rỗ trong nước biển.[5]

Nguyên tố Ni làm bền vững pha austenit và tăng cường khả năng chống ăn mòn Sự hình thành pha austenit bị ảnh hưởng bởi Ni và Cr được cho ra trong hình 2.5 [5]

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép không gỉ 316L

Nguyên tố Số lượng (%) C 0.03 (tối đa)

Bảng 2.5 Cơ tính của thép không gỉ 316L

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 23 Điều kiện Độ bền kéo tối thiểu(Mpa) Giới hạn chảy tối thiểu

(Mpa) Độ giãn dài (%) Độ cứng Ủ 485 172 40 95HRC

Hình 2.4 Ảnh hưởng của Ni và Cr lên pha Austenit trong thép không gỉ chứa 0.1% C Thép không gỉ 316L có thể bị ăn mòn trong dưới ảnh hưởng của môi trường có ứng suất cao và nghèo oxi Do đó, loại thép này chỉ phù hợp dùng cho những thiết bị implant tạm như nẹp và vít xương.[5]

Những loại thép không gỉ này thì không đủ chống ăn mòn trong sử dụng là implant

Tuy nhiên chúng có thể làm dụng cụ y tế nơi mà môi trường ăn mòn là tích trữ lâu dài trong phòng và trong nồi hấp thời gian ngắn.[4]

2.2.3 Thép không gỉ biến cứng

Loại thép không gỉ này toàn bộ sử dụng cho dụng cụ y tế Một số hợp kim thông dụng như 17-4 PH (17% Cr và 4% Ni và PH là kí hiệu cho việc biến cứng) Khả năng biến cứng của kim loại sau khi gia công ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ biến cứng của thép cacbon hoặc 400 bộ hợp kim mà được đánh giá là cần phải tôi và ram.[4]

Hợp kim Co-Cr

Có hai loại hợp kim Co-Cr cơ bản là hợp kim đúc CoCrMo và hợp kim rèn CoNiCrMo Hợp kim đúc CoCr được sử dụng trong nhiều thập kỉ nay và gần đây mới được

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 24 làm cho khớp nhân tạo Hợp kim rèn CoNiCrMo mới được sử dụng gần đây để là stem cho phẩu thuật thay khớp chịu tải nặng như khớp háng và đầu gối Molipđen được thêm vào để tạo hạt mịn hơn để tăng độ bền sau khi đúc và rèn, Cr thì tăng cường khả năng chống mòn.[5]

Hợp kim rèn CoNiCrMo chứa khoảng 35% Co và Ni mỗi loại, hợp kim này chống ăn mòn cao trong nước biển dưới tác động của áp suất Gia công nguội có thể làm tăng độ bền của hợp kim này Tuy nhiên, khó mà gia công lạnh trên hợp kim này, đặc biệt là khi làm những chi tiết tương đối lớn như stem trong khớp háng nhân tạo Chỉ có rèn nóng mới chế tạo được những implant lớn với hợp kim này.[5] Đặc tính mòn của hợp kim rèn CoNiCrMo thì giống với hợp kim đúc CoCrMo Tuy nhiên, nó không được đề nghị dùng cho bề mặt chỏm trong khớp háng nhân tạo vì đặc tính ma sát với chính nó hoặc vật liệu đó Độ bền mỏi và độ bền kéo vượt trội của hợp kim rèn CoNiCrMo làm cho nó phù hợp trong những ứng dụng mà đòi hỏi tuổi thọ lâu dài mà không có nứt hay ứng suất mỏi như trong khớp nhân tạo Cả hợp kim đúc và hợp kim rèn đều có độ chống mòn vượt trội Các phần tử tự do thoát ra do mòn, ăn mòn và ma sát có thể làm suy yếu vùng tế bào và cả bộ phận Phần tử Co và Ni thì độc Mô đun đàn hồi của hợp kim CoCr không thay đổi.[5]

Bảng 2.6 Thành phần hóa học của những hợp kim CoCr

Lớn nhất Nhỏ nhất Lớn nhất

Bảng 2.7 Cơ tính của những hợp kim CoCr

CoNiCrMo F562 (hợp kim rèn) Ủ Gia công nguội và hóa già Độ bền kéo (Mpa) 655 860 793-1000 1793 (nhỏ nhất)

Giới hạn chảy (Mpa) 450 310 240-655 1585 Độ giãn dài (%) 8 10 50 8

Diện tích giảm (%) 8 - 65 35 Độ bền mỏi (Mpa) 310 - - -

UHMWPE

UHMWPe là nhựa nhiệt nóng Nhựa nhiệt nóng thì quá nhớt sau khi nóng chảy nên không thể dùng trong ép phun Nó là một loại nhựa hoạt động cao mặc dù liên kết VanderWaals yếu nhưng nó có độ bền như các loại nhựa bền như Kevlar, nó có độ bền lớn vì nó có chuỗi đơn phân tử rất dài UHMWPe có chuỗi polime rất dài và có khối lượng phân tử rất lớn khoảng 2 – 6 triệu Nó có hệ số ma sát thấp và độ chống mòn rất cao.[4]

Hình 2.5 Các sản phẩm y sinh của UHMWPE Khuyết điểm là do lực VanderWaals yếu nên nó chịu nhiệt kém nhưng nó có độ hấp thụ nước kém và nó chống ăn mòn cao và không độc Kết quả là nó là nguyên liệu thích hợp cao trong vệc sử dụng làm đệm trong thay khớp mà cần yếu tố không ma sát mà không cần chịu nhiệt

2.4.2 Đặc tính vật lí Ở 23 o C giới hạn chảy là 20MPa, giới hạn nén khoảng 30MPa Mô đun đàn hồi ở 23 o C là khoảng 700MPa ở nhiệt độ cơ thể người khoảng 600MPa, tỉ trọng khoảng 0.93.[4]

2.4.3 Khả năng thích ứng sinh học

UHMWPe thì trơ và không độc Mặc dù UHMWPe chống mòn cao, nó thì không mòn tự do Tuy nhiên, khi trong kim loại chúng tạo thành phần có hại Nó bao gồm hủy cốt và u

Vấn đề này là yếu tố giới hạn độ bền lâu trong thay khớp.[4]

Nhựa tổng hợp ( Polyethylene)

Loại nhựa tổng hợp này được chế tạo đặc biệt sử dụng trong y khoa cấy ghép Là cầu nối giữa khớp, tạo sự xoay chuyển thoải mái giữa các khớp với độ mòn thấp nhất

Hình 2.6 Miếng đệm khớp gối bằng Polyethylene

Ceramics

Thường được tạo thành bằng cách nén và nung nóng hợp kim oxit (aluminum oxide và Zirconium oxide) cho đến khi cứng hẳn Loại thạch anh này chống mài mòn, bền và thích ứng tốt với cơ thể, sử dụng để giảm sự mài mòn giữa hai bề mặt thiết bị cấy ghép nhưng không yêu cầu cao về tính đàn hồi

Hình 2.7 Ceramic được phóng đại

Hình 2.8 Ceramic đầu khớp hông

Xi măng sinh học

Xi măng sinh học dựa trên cơ sở là PMMA được chấp nhận như là một loại polime có khả năng thích ứng sinh học Xi măng sinh học thường được điều chế bằng cách trộn hai thành phần là dung dịch trong suốt và chất bột trắng theo liều lượng

Thành phần chất lỏng: chất lỏng trong suốt, bay hơi, và có một đặc tính penetrant smell Độ nhớt của nó thì thấp và nhiệt độ sôi là 1000C ở 760 mmHg và khối lượng riêng là 0.94 g/cm3 Nó chứa ba thành phần cơ bản: Đơn MMA (CH2C(CH3)COOHCH3) xấp xỉ 97% (% thể tích)

N,N – Dimethyl-p-toluidine (p-N(CH3)C6H4CH3) xấp xỉ 2.7% (% thể tích) Hydroquinone (OHC6H4OH) 750 ppm

N,N – Dimethyl-p-toluidine (DMT) có tác dụng như là chất xúc tác phản ứng polime hóa, mà ban đầu trộn với bột Chất hydroquinone là một chất ức chế mà ngăn cản sự polime sớm của monome Thể tích của chất lỏng thường là 20ml

Thành phần rắn: những thành phần cơ bản của bột là PMMA ([CH3C(CH2)COOCH3]n) : xấp xỉ 89% ( % khối lượng) trong một vài trường hợp thay vì ta sử dụng hạt PMMA người ta sử dụng polime và copolime được sử dụng

Benzoil peroxide (COC6H5OOCC6H5O) xấp xỉ 0.75% (% khối lượng) Barium sulfate (BaSO4) hoặc zirconium dioxide (ZrO2) 10% (% khối lượng) BP có tác dụng như là chất mồi, sản xuất ra gốc tự do khi nó tác dụng với anime (DMT) BaSO4 hoặc ZrO2 thì được thêm vào để thu được xi măng không thấu xạ Đường kớnh của hầu hết hạt PMMA trong xi măng phạm vi từ 30 đến 150àm và hỡnh dỏng phự hợp trên qui trình sản xuất đã sử dụng

Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử của mạch thẳng polime đóng vai trò quan trọng quyết định cơ tính của chúng Một điều lưu ý rằng trong hầu hết các trường hợp khối lượng phân tử của xi măng thì cao hơn là bột PMMA Điều này có ý nghĩa rằng trùng hợp polime từ monome thì tạo ra chuỗi dài hơn so với bột PMMA ban đầu

Bảng 2.8 Cơ tính của xi măng sinh học Đặc tính kéo Độ bền kéo (MPa) 24-49

Mô đun đàn hồi trong kéo (MPa) 1580-4120 Đặc tính nén Độ bền nén (MPa) 73-117

Mô đun đàn hồi trong nén (MPa) 1940-3180 Đặc tính uốn Độ bền uốn 4 điểm 12-74

Mô đun đàn hồi trong uốn (MPa) 1950-3160

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 29 Độ bền cắt 32-69

Cơ tính của xi măng được nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt là lực tiếp xúc và chuyển lực từ khớp vào xương PMMA đươc sử dụng làm xi măng và nhiệt độ chuyển pha Tg00C, cơ tính của chúng rất nhạy với nhiệt độ môi trường và tốc độ biến dạng sẽ ảnh hưởng nhiều đến ứng xử cơ bởi vì đặc tính đàn hồi của chúng Vết nứt và mỏi trên xi măng phải được phân tích cẩn thận Xi măng là vật liệu nhiều pha tự đóng rắn khi so sánh với PMMA công nghiệp Cấu trúc tế vi và qui trình sản xuất khác nhau giải thích cơ tính kém hơn của nó Cơ tính của xi măng sinh học phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng Trượt và sự chùng ứng suất là những thông số rất quan trọng khi đánh giá thời gian phục vụ của xi măng Sự trượt có liên quan với khối lượng phân tử và nhiệt độ chuyển pha Độ chống trượt tăng khi khi khối lượng và kích thước hạt PMMA lớn và monome dư, chất đệm không thấu xạ, môi trường trùng hợp như nước làm tăng nó Trượt cũng phụ thuộc vào qui trình trùng hợp của xi măng và nhiệt độ lúc thực hiện Xi măng sinh học được coi là chất rắn đàn hồi tuyến tính vì ứng xử của nó như một vật liệu giòn Độ bền chống gãy của xi măng sinh học trong phạm vi từ 1.03 đến 2.31 MPam1/2 Độ giòn của xi măng sinh học thì nhỏ hơn các vật liệu ceramic khác Trong số những nguyên nhân gây lỏng khớp thì nguyên nhân do xi măng bị mỏi là một trong những nguyên nhân quan trọng nhất Độ bền mỏi ở 106 chu kì có giá trị khoảng 6 đến 20 Mpa, và độ bền mỏi 107 chu kì có giá trị trong khoảng 15 đến 26 Mpa, độ bền mỏi này là độ bền mỏi uốn

Biến chứng lâm sàng liên kết với việc sử dụng xi măng sinh học, đặc biệt với monome tự do Một số lượng lớn những thông tin về giảm huyết áp, tổn hại tế bào cục bộ, thậm chí là làm bỏng dây thần kinh có nguyên nhân bởi xi măng sinh học Trong một cách khác, một vài bài báo cho thấy rằng những mảnh mòn, nứt, của xi măng cũng như mảnh vụn của polyethylene là nguyên nhân tạo u hạt Những tế bào này tiết ra những chất gây viêm và thậm chí bị xương hấp thụ lại, quá trình hủy cốt này gây ra bởi những vụn xi măng có thể là nguyên nhân gây ra lỏng khớp.[8]

Kết luận

Ngoài các yêu cầu về hình dáng, vật liệu thì độ nhám bề mặt của khớp gối cũng phải được xét đến Độ nhám bề mặt này phụ thuộc vào quá trình tạo hình, gia công cũng như xử lý bề mặt sau khi gia công

Dựa vào nhiều công trình nghiên cứu những năm gần đây về độ nhám bề mặt của các sản phẩm cấy ghép dùng trong chấn thương chỉnh hình thì hầu hết các sản phẩm cấy ghép này cú độ nhỏm bề mặt nằm trong khoảng từ 1 tới 100àm Thụng thường, cỏc bộ phận cấy ghộp cú độ nhỏm trung bỡnh từ Ra=1.2 àm tới Ra=2.5 àm Cỏc sản phẩm yờu cầu cao như khớp hỏng, khớp gối yờu cầu độ nhỏm bề mặt từ Ra= 0.04 àm tới Ra=1.7 àm Để đảm bảo khớp gối đạt được độ nhám trong khoảng trên ta có thể dùng nhiều phương pháp như: đánh bóng bằng hạt mài, kỹ thuật phun ướt, hay đánh bóng điện hóa,

Trong nội dung thực hiện của luận văn này, ta chú trọng đến việc tạo hình dáng hình học và khả năng gia công mẫu khớp gối, cho nên việc chế tạo mẫu khớp gối sẽ sử dụng vật liệu Inox 304 để chế tạo mẫu

THIẾT KẾ KHỚP GỐI TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT 3-31 3.1 Giới thiệu quy trình thiết kế

Giới thiệu phần mềm MIMICS

MIMICS (Materialise Interactive Medical Image Control System) là một dụng cụ tương tác cho việc trực quan hóa và sự phân chia ra từng đoạn những hình ảnh CT cũng như

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 32 những hình ảnh MRI và hình ảnh 3D của vật thể Do đó, trong lĩnh vực y học, phần mềm MIMICS có thể được sử dụng cho việc đặt kế hoạch chẩn đoán, thao tác hoặc theo dõi trong suốt quá trình điều trị Giao diện của MIMICS rất linh hoạt, bao gồm những hệ thống prototyping nhanh (phục hồi mẫu nhanh) được xây dựng cho việc chia ra từng đoạn để phân biệt những đối tượng

Hình 3.2 Giao diện phần mềm MIMICS phiên bản 10.01 Phần mềm này còn cho phép các bác sĩ phẫu thuật hoặc nhà nghiên cứu về X-quang điều chỉnh và sửa chữa sự cắt lát (chia ra từng đoạn) của CT-scan và MRI-scan Nhờ đó những hiện tượng giả hình ảnh – ví dụ như do những mô cấy kim loại – có thể được loại bỏ một cách dễ dàng Mimics đọc dữ liệu từ file CT/MRI định dạng DICOM Các công cụ chỉnh sửa cho phép người dùng thao tác, điều khiển dữ liệu để lựa chọn các phần mong muốn như mô, xương, phần mềm, da, vv Sau khi các phần mong muốn được chọn, nó có thể được xây dựng thành file 3D Sau đó được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như tạo mẫu nhanh, phân tích phần tử hữu hạn hoặc xuất ra định dạng CAD/MedCAD.Dưới đây là sơ đồ khối thể hiện các bước được thực hiện khi sử dụng phần mềm Mimics

Hình 3.3 Sơ đồ khối khi sử dụng Mimics

Xác định dữ liệu 3D của vùng xương xốp bằng phần mềm Mimics

Dữ liệu thiết kế là các file DCM chụp lát cắt cơ thể của bệnh nhân Keskonrix tổng cộng gồm 1120 lát cắt, để thiết kế khớp gối ta chọn các lát cắt từ khoảng 500 đến 1000

Khởi động phần mềm Mimic thì sẽ xuất hiện giao diện sau:

Hình 3.4 Giao diện khi khởi động Tiếp theo chọn File / Import Images thì sẽ xuất hiện hộp thoại sau:

Hình 3.5 Giao diện để nhập file của Mimics Đưa đường dẫn đến thư mục chứa file DCM, chon tất cả các file từ IM-0001-0500.DCM đến IM-0001-1000.DCM

Hình 3.6 Giao diện chọn file DCM Chọn file CT khớp của bệnh nhân rồi chọn Next sẽ xuất hiện giao diện sau:

Hình 3.7 Giao diện sau khi nhập file Sau đó chọn Convert tiếp theo chọn vào một vị trí có chữ X bất kì nhấn chuột phải chọn đúng vị trí trên (Top) sau (Bottom) phải (Right) trái (Left) trước (Anterior) sau (Posterior)

Hình 3.8 Giao diện chọn hướng nhìn Sau khi chọn đúng vị trí chọn OK thì sẽ xuất hiện giao diện sau:

Hình 3.9 Hình chụp CT cắt lớp 3 chiều của khớp Trong hình chụp thì có xương, xương xốp, cơ,…thì chọn vùng xương xốp vì chính vùng xương xốp này thì chuôi (stem) sẽ được gắn vào

Chọn biểu tượng hoặc vào Segmentation / Thresholding thì sẽ xuất hiện hộp thoại sau

Hình 3.10 Thanh công cụ Thresholding Tại Predefined threshold set chọn Spongial Bone (CT, Adult) là lấy phần xương xốp, sau đó chọn Apply Phần xương xốp sẽ chuyển thành màu xanh

Sau đó ta se chọn biểu tượng hoặc vào Segmentation / Crop mask trên màn hình sẽ xuất hiện đường biên để chọn phần cần lấy ra Di chuyển đường biên và chọn phần khớp bị hư cần thay, sau đó nhấp OK

Hình 3.11 Thanh công cụ Crop Mark xuất hiện trên giao diện phần mềm

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 37 Tách riêng phần xương gối cần với các xương khác (xương bánh chè)

Chức năng này cho phép chỉnh sửa, xóa, thêm Ở đây, chủ yếu sử dụng xóa (Remove) và thêm (Add) để tách phần xương gối Để đạt độ chính xác về hình dáng xương, cần chỉnh sửa và kiểm tra tỉ mỉ tất cả các slice Vì vậy cần có công cụ Multiples Slice Edit giúp cho việc chỉnh sửa nhiều slice một lúc được nhanh hơn

Hình 3.12 Công cụ Edit masks

Hình 3.13 Công cụ Multiples Slice Edit Xuất phần xương gối ra định dạng *.Stl

Chọn Export/ Binary Stl Sau đó, Add Mask xương đùi vào (ở đây là Mark Green)

Chọn địa chỉ Output rồi chọn Next và Finish Kết thúc quá trình Chúng ta thu được khối 3D xương trên được quét trực tiếp từ file CT của bệnh nhân

Hình 3.14 Phần xương trên trên Mimics

Hình 3.15 Hộp thoại xuất file STL

3.3.2 Xây dựng hình dáng phần xương dưới (xương chày)

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 39 Trình tự xây dựng hình dáng phần xương chày tương tự như phần xương gối, tuy nhiên khi sử dụng công cụ Crop mask ta phải chọn đường biên phần xương chày Di chuyển đường biên và chọn phần xương chày cần thay, sau đó nhấp OK

Hình 3.16 Dùng Crop Mark chọn phần xương dưới Sử dụng các công cụ Edit masks và công cụ Multiples Slice Edit tương tự như phần xương gối kết quả thu được

Hình 3.17 Xương dưới trên Mimics

Thiết kế khớp gối bằng phần mềm SOLIDWORKS 2014

Trong bài luận văn này, phần mềm được sử dụng là Solidworks 2014 với add-in ScanTo3D để làm việc với file *.stl từ phần mềm Mimics ở trên

3.4.1 Thiết kế phần xương trên (xương gối)

Sau khi xuất ra file đuôi STL đem xử lí tiếp file bằng phần mềm Solid works Sau khi khởi động phần mềm thì chọn chức năng Add-Ins

Hình 3.18 Bật chức năng Add-Ins trong SolidWorks Mở file STL theo hình sau

Hình 3.19 Giao diện nhập file STL vào SolidWorks

Hình 3.20 Hình ảnh 3D của xương trên sau khi quét bằng Mimics Kích hoạt add-in ScanTo3D trong add-in của SOLIDWORKS để có thể làm việc với định dạng file *.stl Sau khi kích hoạt, vào Tools => ScanTo3D sẽ hiện lên các lệnh đặc trưng để xử lý mô hình vừa nhập vào

Hình 3.21 Sử dụng các công cụ trong Add-in ScanTo3D Mesh Prep Wizard: xử lí trước file mesh, có chức năng chuyển hệ tọa độ, xóa các phần rác từ MIMICS, tạo Smooth các bề mặt

Curve Wizard: nội suy các biên dạng mặt cắt Lệnh này dùng rất nhiều trong thiết kế, để xác định các điều kiện biên cho vùng thiết kế

Surface Wizard: nội suy mặt phẳng Trong phần luận văn, phần này không được sử dụng do bề mặt xương của khớp gối là các bề mặt bất kì

Merge Meshes: kết hợp các mesh vụn lại thành một Mesh Lệnh này ít dùng, nhưng để làm gọn file thiết kế thì cũng nên dùng

Trình tự thiết kế bắt đầu bằng việc sử dụng công cụ Mesh Prep Wizard để chuẩn bị mô hình

Dịch chuyển toạ độ về gốc, để sau bước thiết kế CAD có thể chuyển qua MasterCAM xây dựng các phương án chạy dao dễ dàng hơn

Hình 3.22 Dịch chuyển góc toạ độ mô hình bằng Mesh Prep Wizard Chọn phương pháp định hướng – Orientation Method là Automatic, để phần mềm tự động dịch chuyển mô hình Mesh về gốc toạ độ máy Ngoài ra ở các tuỳ chọn khác, ta để theo mặc định phần mềm Vì ngay từ đầu mục đích chỉ để đưa mô hình về gốc toạ độ máy

Sử dụng công cụ Surface Wizard xây dựng mô hình Solid từ Mesh Ta chọn Automatic creation trong hộp thoại Solid/Surface Creation, để chọn phương pháp xây dựng mô hình Solid tự động như hình bên dưới

Hình 3.23 Xây dựng mô hình solid bằng Surface Wizard Để điều chỉnh được số lượng các bề mặt cũng như độ mịn của mô hình Ở đây ta lựa chọn khoảng trung bình, để mô hình có đủ độ mượt (smooth) mà không làm ảnh hưởng đến kích thước nhiều đến mô hình sau khi được tạo ra so với thực tế

Hình 3.24 Điều chỉnh độ mịn của bề mặt mô hình

Hình 3.25 Kết quả thu được khi chuyển thành mô hình solid Ở đây ta lựa chọn phương pháp xây dựng mô hình Surface thay vì Solid vì phương pháp này giúp ta dễ dàng xử lý được các bề mặt phức tạp, mặt như trên môt cách linh hoạt, chính xác Mặc khác, có thể dễ dàng chuyển thành solid sử dụng cho phần CAM trong Master CAM sau này

Hình 3.26 Mặt phẳng khớp gối sau khi được tạo hình bằng công cụ add-in ScanTo3D

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 45 Bề mặt sau khi xây dựng chưa được tốt cũng như khó có thể gia công nên cần chia nhỏ để tiến hành xây dựng mặt mới dựa trên mặt có sẵn

Tạo 2 mặt phẳng chạy dọc theo phần lồi cầu và nằm giữa phần lồi cầu, trên 2 mặt phẳng này, tạo các đường sketch theo biên dạo lồi cầu, dùng lệnh Sweep để tạo mặt cong có profile là cung tròn

Hình 3.27 Sử dụng lệnh Sweep để tạo mặt cong có profile là cung tròn và đường dẫn theo biên dạng cong của khớp

Hình 3.28 Sử dụng lệnh Boundary để tạo mặt cong còn lại của lồi cầu đúng theo biên dạng của khớp

Hình 3.29 Dựng lại bề mặt của lồi cầu còn lại theo phương pháp tương tự

Hình 3.30 Sử dụng lệnh Fill với các biên dạng vẽ theo khớp để tạo ra mặt phẳng nối 2 lồi cầu

Hình 3.31 Sử dụng lệnh Knit để đồng bộ các mặt

Hình 3.32 Mô hình surface trước khi tạo Solid

Hình 3.33 Dựng các surface các bên

Hình 3.34 Dựng sketch để cắt các surface

Hình 3.35 Dựng sketch để cắt các surface một bên còn lại

Hình 3.36 Cắt các surface theo biên dạng áp vào xương trên

Hình 3.37 Điền đầy các surface đã bị cắt tạo thành hộp kín

Hình 3.38 Knit tất cả các surface Sau khi dựng thành hộp kín, phần mềm Solid Works sẽ tự động chuyển từ surface về dạng Solid, ta dùng lệnh fillet và extrude tạo chốt côn gắn vào xương trên, và hoàn thành xong thiết kế phần xương trên

Hình 3.39 Mô hình solid phần xương trên

3.4.2 Thiết kế phần xương dưới (xương chày)

Trình tự thiết kế tương tự như thiết kế xương trên Nhập dữ liệu đầu vào (dữ liệu định dạng *.stl từ phần mềm Mimics), mở file *.stl từ phần mềm Mimics ở trên Kích hoạt add-in ScanTo3D trong add-in của SOLIDWORKS để có thể làm việc với định dạng file *.stl Trình tự thiết kế bắt đầu bằng việc sử dụng công cụ Mesh Prep Wizard để chuẩn bị mô hình

Hình 3.40 Hình ảnh 3D của xương dưới sau khi quét bằng Mimics

Dịch chuyển toạ độ về gốc, để sau bước thiết kế CAD có thể chuyển qua MasterCAM xây dựng các phương án chạy dao dễ dàng hơn

Hình 3.41 Dịch chuyển toạ độ về gốc bằng Mesh Prep Wizard Chọn phương pháp định hướng – Orientation Method là Automatic, để phần mềm tự động dịch chuyển mô hình Mesh về gốc toạ độ máy Ngoài ra ở các tuỳ chọn khác, ta để theo mặc định phần mềm Vì ngay từ đầu mục đích chỉ để đưa mô hình về gốc toạ độ máy

Sử dụng công cụ Surface wizard xây dựng mô hình Solid từ Mesh Ta chọn Automatic creation trong hộp thoại Solid/Surface Creation, để chọn phương pháp xây dựng mô hình Solid tự động như hình bên dưới

Hình 3.42 Sử dụng Automatic creation để xây dựng tự động mô hình solid

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 53 Để điều chỉnh được số lượng các bề mặt cũng như độ mịn của mô hình Ở đây ta lựa chọn ở khoảng trung bình, để mô hình có đủ độ mượt (smooth) mà không làm ảnh hưởng đến kích thước nhiều đến mô hình sau khi được tạo ra so với thực tế

Hình 3.43 Điều chỉnh độ mịn của bề mặt mô hình Kết quả, từ mô hình Mesh đã được chuyển thành mô hình Solid có thể xử lý được sau này

Hình 3.44 Kết quả thu được sau khi sử dụng Add-in ScanTo3D Xây dựng mô hình Solid

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 54 Ở đây ta lựa chọn phương pháp xây dưng mô hình Solid vì phần Xương chày toàn phần này dùng để đỡ phía dưới nên biên dạng xây dựng chỉ đảm bảo đủ bền và biên dạng là các khối hình học cơ bản đã đủ chức năng làm việc của phần này

Hình 3.45 Xương dưới toàn phần đã được dựng hoàn thiện

3.4.3 Thiết kế phần giữa (Đĩa đệm)

Dựa vào các thông số kích thước của xương dưới ta xây dựng được hình Solid như sau:

Hình 3.46 Đĩa đệm đã được dựng hoàn thiện

Kết luận

Trong chương 3, tác giả đã dùng các phần mềm hỗ trợ thiết kế được bộ khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt (bản vẽ lắp 3D và bản vẽ 2D) đảm bảo các yêu cầu đã đặt ra như: Hình dạng, kích thước phù hợp, đảm bảo chức năng hoạt động của khớp gối Không ảnh hương đến cơ, xương và các mạch máu

Hình 3.47 Phần trên của bộ khớp

Hình 3.48 Phần dưới của bộ khớp

Hình 3.49 Phần đĩa đệm của bộ khớp

Hình 3.50 Mô hình bộ khớp gối toàn phần ma sát trượt

Hình 3.51 Bản vẽ bộ khớp gối toàn phần ma sát trượt

KIỂM TRA BỀN KHỚP GỐI TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT 4-58 4.1 Giới thiệu về phần mềm ansys

Khai báo vật liệu

Component Systems → Engineering Data để khai báo vật liệu Đối với vật liệu là Stainless steel ta khai báo cái thông số về tính chất vật lí của vật liệu như sau:

Hình 4.1 Thông số vật liệu Stainless steel

Hình 4.2 Chi tiết khai báo thông số cho hợp kim Stainless steel

Tính toán tải trọng trên khớp gối toàn phần khi chạy bộ

Ta vào phần Static Structural để thực hiện bài toán tĩnh, và import mô hình vào trong Ansys để thực hiện tính toán, chọn hệ trục tọa độ như hình vẽ:

Hình 4.3 Nhập mô hình vào Ansys Thực hiện việc tạo lưới bằng công cụ Mesh General:

Hình 4.4 Tạo lưới (chia lưới) mô hình Với công cụ Mesh Control ta có thể tiến hành chia lưới với kích thước nhở hơn ở bề mặt làm việc Điều này nhằm đạt được kết quả chính xác hơn so với việc chia lưới tự động và nhanh hơn so với việc chia lưới nhỏ cho toàn bộ khớp gối

Tiến hành việc đặt điều kiện biên: bằng cách đặt lực tác dụng và tạo các ràng buộc lên chi tiết Ràng buộc bậc tự do: Static Structural → Supports → Fixed Supports sau đó chọn các mặt cần ràng buộc → Apply

Hình 4.5 Tạo ràng buộc cho mô hình Đặt lực tác dụng lên chi tiết: Việc xác định lực tác dụng lên chi tiết được tham khảo trên trang web http://www.orthoload.com/ Việc đo lực được xác định bằng các cảm biến gắn trực tiếp trên cơ thể người nên cho kiết quả chính xác

Trong lần đặt điều kiện biên lần này được lấy kết quả của cuộc thí nghiệm trên người có trọng lượng 100kg và thực hiện động tác chạy bộ

Hình 4.6 Bảng thông số excel các chu kỳ lực

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn lực trong một chu kỳ

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn moment trong một chu kỳ

Hình 4.9 Giá trị đặt lực

Hình 4.10 Giá trị đặt mô men Sau khi tính toán ta có kết quả như sau:

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng ứng suất mỏi

Hình 4.12 Vị trí ứng suất mỏi Min và Max trên xương chày

Tính toán tải trọng trên khớp gối toàn phần khi đứng lên 1 chân

Trình tự các bước tính toán giống khi chạy bộ, chỉ thay đổi thong số các lực và mô ment tác dụng khi đứng trên 1 chân

Hình 4.13 Thí nghiệm đứng trên một chân

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 65 Lực tác dụng vào khớp gối là lực theo chu kì, với một chu kì lực, thời gian sẽ được chia thành 600 bước bằng nhau và thời gian kết thức cho 1 chu kì là 8.542s Ứng với một giá trị thời gian ta ghi được giá trị của các lực thành phần Fx, Fy, Fz và Mx, My, Mz Các giá trị đó được nhập vào trong Ansys để tính toán

Hình 4.14 Đồ thị lực tác dụng lên khớp gối trong 1 chu kì

Hình 4.15 Đồ thị moment tác dụng lên khớp gối trong 1 chu kì

Hình 4.16 Kết quả tính toán

Hình 4.17 Kết quả tính toán trên đĩa đệm.

Tính toán tải trọng trên khớp gối toàn phần khi đi lên cầu thang

Quy trình phân tích bằng phần mềm Ansys tương tự như đối với hoạt động đi bộ Kết quả phân tích như hình bên dưới

Hình 4.18 Kết quả phân tích ứng suất

Kết luận

Trong chương 4, tác giả đã sử dụng phần mềm tính toán bền Ansys để kiểm tra bền bộ khớp gối, sử dụng vật liệu Inox 304 để tính toán cho các trường hợp tải: Khi chạy bộ, đứng 1 chân, lên cầu thang Kết quả tính toán cho thấy bộ khớp đảm bảo độ bền và không bị phá huỷ

GIA CÔNG MẪU KHỚP TOÀN PHẦN MA SÁT TRƯỢT 5-68 5.1 Lựa chọn phương án gia công

Phương án gia công bằng phương pháp truyền thống

Bộ khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt bao gồm các chi tiết có bề mặt cong phức tạp Vì vậy, ta không thể sử dụng các phương pháp truyền thống như tiện, phay trên máy cơ để gia công các bề mặt, biên dạng cong này Đối với các mặt phẳng, mặt côn, các lỗ định vị ta có thể thực hiện gia công bằng phương pháp truyền thống Tuy nhiên, độ nhám và độ chính xác sẽ không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra

Mặt khác, nếu ta sử dụng phương pháp đúc để chế tạo bộ khớp gối thì sẽ không phù hợp vì đây là chế tạo thử nghiệm Việc chế tạo khuôn đúc sẽ tốn nhiều thời gian và kinh phí

Bên cạnh đó, các khuyết tật gây ra do quá trình đúc và việc xử lý bề mặt không tốt sẽ tạo ra các phản ứng sinh học với cơ thể gây biến chứng cho quá trình thay khớp gối nhân tạo

Như vậy, ta không thể dùng các phương pháp truyền thống để gia công bộ khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt.

Phương án gia công trên máy CNC

Phương án gia công trên máy CNC là một phương pháp hiện đại và được sử dụng nhiều trong kỹ thuật chế tạo Tùy thuộc vào hình dáng và đặc điểm của sản phẩm mà có phương pháp gia công sao cho tối ưu nhất Ưu điểm của phương pháp: Có thể tạo hình các bề mặt, biên dạng cong, đảm bảo yêu cầu của thiết kế đặt ra ban đầu, gia công nhanh, độ chính xác rất cao, phù hợp cho gia công chế tạo với số lượng lớn, không đòi hỏi người thợ có tay nghề cao

Nhược điểm của phương pháp: Chi phí gia công cao hơn so với phương pháp truyền thống

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 69 Như vậy, dựa vào khả năng công nghệ và ưu, nhược điểm của hai phương pháp gia công, tác giả chọn phương án gia công trên máy CNC để gia công chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt Điều này sẽ đảm bảo đạt được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra

Sử dụng phần mềm mô phỏng Mastercam X7 để mô phỏng gia công, sử dụng máy phay CNC 3 trục của hãng DOOSAN VM 960 để gia công bộ khớp gối

5.2 Một số hình ảnh mô phỏng gia công phần xương trên (xương gối)

Hình 5.1 Nguyên công 1 gia công phần có chốt

Hình 5.2 Nguyên công 2 gia công phần lồi cầu

Một số hình ảnh mô phỏng gia công phần xương dưới (xương chày)

Hình 5.3 Nguyên công 1 gia công phần chốt côn

Hình 5.4 Nguyên công 2 gia công phần còn lại

Một số hình ảnh mô phỏng gia công phần đệm giữa (đĩa đệm)

Hình 5.5 Nguyên công 1 gia công phần chốt côn

Hình 5.6 Nguyên công 2 gia công phần lõm cầu

Gia công mẫu khớp gối toàn phần

Tính toán sơ bộ dựa trên kích thước bao của chi tiết và phương pháp gá đặt khi gia công và tính tiết kiệm, kích thước của phôi sẽ là: 50x70x70 mm, sử dụng inox 304

Hình 5.7 Chọn phôi gia công

5.5.1.2 Chọn máy gia công Để phù hợp với điều kiện thực tế, chi tiết này sẽ được gia công trên máy phay CNC 3 trục Cụ thể sử dụng máy:

5.5.1.3 Qui trình gia công xương gối

Từ bản vẽ chi tiết ta đưa ra phương án gia công phù hợp Đối với xương gối, với mục tiêu ban đầu đặt ra, thì bộ chi tiết khớp gối toàn phần sẽ được gia công theo qui trình sản xuất đơn chiếc

Sau đâu là các bước nguyên công, chế độ cắt của qui trình gia công xương gối

Tên chi tiết Xương dưới Số lượng 01 PCS

Vật liệu Inox 304 Nguyên công NC1: Phay mặt chốt

Quy cách phôi 50x70x70 Đơn vị mm

Bản vẽ nguyên công (Cách gá đặt, chiều dài phần kẹp, các bề mặt gia công vẽ đậm và có đánh số, ghi các kích thước cần đạt được, độ nhám)

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 73 STT Bước công nghệ Độ nhám yêu cầu

2 Phay bỏn tinh 0.2 3300 660 T10 Bull mill ỉ6R0.5

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra:

STT Nội Dung Số KT Dụng cụ Dung sai Tần suất Ghi

Vật liệu Inox 304 Nguyên công NC 2: Phay mặt lồi

STT Bước công nghệ Độ nhám yêu cầu

2 Phay bỏn tinh 0.2 3300 660 T10 Bull mill ỉ6R0.5

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra: Kiểm tra bằng máy đo CMM sau khi gia công xong

5.5.2 Gia công phần xương dưới (xương chày) 5.5.2.1 Chọn phôi Đây là dạng sản xuất đơn chiếc nên ta chọn phôi có sẵn trên thị trường Hiện nay, thị trường phôi liệu tại Việt Nam rất đa dạng chủng loại và phong phú về vật liệu Có thể dễ dàng mua được các loại phôi tấm, phôi trụ, cũng như các loại phôi định hình Đối với chi tiết này, vì vẫn còn nằm trong quá trình thử nghiệm nên chọn phôi tấm Inox 304 để gia công là phù hợp nhất Tính toán sơ bộ dựa trên kích thước bao của chi tiết và phương pháp gá đặt khi gia công và tính tiết kiệm, kích thước của phôi sẽ là: 74x54x55 mm, trước khi gia công, phôi được mài tinh các mặt để gá đặt làm chuẩn

Lượng dư theo đường kính mỗi bên 1mm

Theo qui trình gia công, sẽ được trình bày ở bên dưới, cũng như những yêu cầu về độ chính xác tương đối đơn giản và độ phức tạp không cao, chi tiết này sẽ được gia công trên máy phay CNC 3 trục Cụ thể sử dụng máy:

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 75 Máy phay DOOSAN VM 960

5.5.2.3 Qui trình gia công xương dưới

Từ bản vẽ chi tiết ta đưa ra phương án gia công phù hợp Đối với xương dưới, với mục tiêu ban đầu đặt ra, thì bộ chi tiết khớp gối toàn phần sẽ được gia công theo qui trình sản xuất đơn chiếc

Sau đâu là các bước nguyên công, chế độ cắt của qui trình gia công xương chày

Vật liệu INOX 304 Nguyên công NC 1: Phay mặt trụ côn

2 Phay bỏn tinh 0.2 1450 145 T02 Endmill flat ỉ12

3 Phay vỏt mộp 0.2 2100 255 T04 Chamfer mill ỉ6

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra

STT Nội dung Số KT Dụng cụ Dung sai Tần suất Ghi

Vật liệu INOX 304 Nguyên công NC 2: Phay mặt, chốt

1 Phay bề mặt 0.5 1250 445 T01 Bull mill ỉ16R1

2 Phay bỏn tinh 0.2 3700 390 T06 Endmill ball ỉ6R3

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra

STT Nội dung Số KT Dụng cụ Dung sai Tần suất Ghi

5.5.3 Gia công phần giữa (đĩa đệm) 5.5.3.1 Chọn phôi

Tính toán sơ bộ dựa trên kích thước bao của chi tiết và phương pháp gá đặt khi gia công và tính tiết kiệm, kích thước của phôi sẽ là: 74x54x55 mm, trước khi gia công, phôi được mài tinh các mặt để gá đặt làm chuẩn

Theo qui trình gia công, sẽ được trình bày ở bên dưới, cũng như những yêu cầu về độ chính xác tương đối đơn giản và độ phức tạp không cao, chi tiết này sẽ được gia công trên máy phay CNC 3 trục Cụ thể sử dụng máy:

5.5.3.3 Qui trình gia công phần giữa

Từ bản vẽ chi tiết ta đưa ra phương án gia công phù hợp Đối với đĩa đệm, với mục tiêu ban đầu đặt ra, thì bộ chi tiết khớp gối toàn phần sẽ được gia công theo qui trình sản xuất đơn chiếc

Sau đâu là các bước nguyên công, chế độ cắt của qui trình gia công đĩa đệm

Tên chi tiết Phần giữa Số lượng 01 PCS

Vật liệu Inox 304 Nguyên công NC 1: Phay mặt trụ côn

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra :

Tên chi tiết Phần giữa Số lượng 01 PCS

Vật liệu Inox 304 Nguyên công NC 2: Phay mặt lõm

1 Phay thụ bề mặt 0.5 1250 445 T01 Bull mill ỉ16R1

2 Phay bỏn tinh 0.2 3700 390 T06 Endmill ball ỉ6R3

6 Phay lỗ tinh 0.1 5550 370 T07 Endmill ball ỉ4R2

Yêu cầu kỹ thuật gia công và kiểm tra :

Kết luận

Trong chương này, tác giả đã lập quy trình công nghệ chế tạo, chọn phương án giá công bộ khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt; đồng thời tiến hành mô phỏng quá trình

HVTH: Nguyễn Văn Hưng 80 gia công nhằm hạn chế những sai sót có thể xảy ra khi gia công thực tế Tác giả đã chế tạo được bộ mẫu khớp gối nhân tạo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra

Hình 5.8 Bộ mẫu khớp gối sau khi gia công và đánh bóng

Tiêu đề	Thiết kế và chế tạo mẫu khớp gối nhân tạo toàn phần ma sát trượt
Tác giả	Nguyễn Văn Hưng
Người hướng dẫn	TS. Trần Nguyên Duy Phương
Trường học	Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ chế tạo máy
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	3,99 MB